Chỉnh sửa gen NPR3 giúp khoai tây kháng được vi khuẩn Candidatus Liberibacter spp.

 Chỉnh sửa gen NPR3 giúp khoai tây kháng được vi khuẩn Candidatus Liberibacter spp.

Nguồn: Manikandan Ramasamy, Mohan Singh Rajkumar, Renesh Bedre, Sonia Irigoyen, Katherine Berg-Falloure, Michael V. Kolomiets, Kranthi K. Mandadi. 2024. Genome editing of NPR3 confers potato resistance to Candidatus Liberibacter spp. Plant Biotechnology Journal; First published: 22 May 2024. https://doi.org/10.1111/pbi.14378

 

Hình: Rầy khoai tây Bactericera cockerelli Šulc., là vector truyền vi khuẩn gây bệnh khoai tây.

 

Candidatus Liberibacter solanacearum (CLso) là một vi khuẩn gây hại khoai tây (Solanum tuberosum) ức chế mạch phloem, gắn liền với bệnh “potato zebra chip” (chíp khoai tây có dạng zebra). Vector truyền bệnh này là rầy Bactericera cockerelli Šulc., làm thiệt hại kinh tế quy mô toàn cầu (Mora et al., 2021). Phát triển giống kháng theo phương pháp kinh điển không thành công (Mora et al., 2022), do vậy, người ta cần phải ứng dụng công nghệ di truyền hiện đại hoặc chỉnh sửa gen.

 

Trong tực vật, những protein có tính chất non-expressor of pathogenesis-related (NPR) hoạt động như những thụ thể của hormone tự vệ, như salicylic acid (SA). Trong khi NPR1 kích hoạt miễn dịch theo SA có trong cây Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), thi chất đồng phân của nó NPR3, điều tiết một cách thụ động hệ thống bảo vệ SA. Biểu hiện NPR1 của Arabidopsisi trong cây cam ngọt (Citrus sinensis) và loài cây trồng khác làm tăng cường tính chống chịu theo SA đối với nhiều pathogens (Peng et al., 2021). Trái lại, sự điều tiết kiểu “down” của NPR3 trong cây Arabidopsis (Ding et al., 2018) và cây cacao (Theobroma cacao) (Fister et al., 2018) làm tăng cường tính kháng bệnh do vi khuẩn và nấm, theo thứ tự. Trước đây người ta thấy rằng sự điều tiết có tính chất “transiently down” của StNPR3 trong rễ tóc cây khoai tây làm giảm CLso titer (Irigoyen et al., 2020). Ở đây, kết quả chỉnh sửa gen StNPR3 liên quan đến tính kháng của khoai tây với vi khuẩn CLso thông qua kích hoạt được hệ phòng vệ nhờ SA và sự dị hóa JA.

 

Để khai thác được chức năng gen StNPR3 trong khoai tây, người ta xác định một gen tương đồng NPR3 (NCBI# XM_006366563.2, Table S1) và thiết kế phân tử “guide RNA” nhắm đích đến ở vị trí exon đầu tiên của khung đọc mã (ORF) thuộc gen StNPR3. Chuyển nạp gián tiếp th6ong qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens vào giống khoai tây Atlantic, để tạo nên nhiều dòng chỉnh sửa gen StNPR3. Trên cơ sở “amplicon sequencing”, có 2 dòng khoai tây được chọn phục ụ phân tích sâu. Dòng số 1 là đồng hợp tử “mono-allelic” có chiều dài mất đoạn là 8-bp trong 4 alen. Dòng số 2 là dị hợp tử “bi-allelic” có chiều dài mất đoạn là 6/7-bp trong 2 của 4 alen. Khung ORF của gen StNPR3 được dự đoán là sản sinh ra protein “truncated NPR3” với BTB domain và thiếu phân tử Ankyrin-repeat, cũng như SA-binding core (Ding et al., 2018; Wang et al., 2020b). Dòng chỉnh sửa gen StNPR3 biểu hiện tăng trưởng và phát triển không bình thường so với đối chứng vector (VC, biểu hiện một mình Cas9). Tóm lại, người ta đề nghị một mô phỏng hoạt động trong cây khoai tây, knockdown hoặc lấy ra hoàn toàn NPR3, kích hoạt tín hiệu SA và khoai tây được vi khuẩn CLso. NPR3 bị lấy ra còn kích hoạt sự dị hóa JA-Ile và tránh được sự kích hoạt quá mức của hệ thống bảo vệ JA, đồng thời có thể dẫn đến tế bào chết.

 

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14378

 

Hình: Chỉnh sửa gen NPR3 nhờ hệ thống CRISPR-Cas9 giúp khoai tây kháng bệnh “zebra chip”.